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蒙日圆中的高考题和ggb作图方法

刘护灵 geogebra与数学深度融合 2022-07-17
“蒙日圆”,又是一个怪名字!当然,反过来,西方人读中国人的名字也可能这么怪。
首先了解一下蒙日圆是什么。
那我们先来了解下发明它的数学家:加斯帕尔·蒙日 ,法国数学家、化学家和物理学家。
蒙日的一生励志又传奇,蒙日出身贫寒,但他自幼聪颖好学,自强不息, 14岁时就能造出消防用的灭火机, 16岁便被推荐到梅济耶尔皇家军事工程学院学习,年仅22岁就初创“画法几何学”,原来人们在设计工程时由于计算失误而导致工程不符合要求,只好把已建成的工事拆毁重建,而蒙日的画法几何方法就轻而易举解决了这类问题,不止如此,他的“画法几何学”还推动了空间解析几何学的独立发展,奠定了空间微分几何学的宽厚基础,引导了纯粹几何学在19世纪的复兴。此外,他在物理学、化学、冶金学、机械学方面也取得了卓越的成就。
他的画法几何学中有一个有趣的结论:在椭圆上,任意两条相互垂直的切线的交点都在同一个圆上,它的圆心是椭圆的中心,半径等于椭圆长半轴短半轴平方和的几何平方根,这个圆叫蒙日圆,如下图。

以蒙日圆为背景的高考题或模拟题不少见。笔者曾经对2014年的广东高考题进行了研究,成果发表在了《广东教育》上。在中国知网上查询《圆与椭圆的相伴》或者查询作者“刘护灵”即可找到这篇文章。

把题目的字放大一点:

第一问属于送分题,解析如下:

第二问的解析有n种方法。学生最常用的是设直线联立方程的方法(文中的方法一),运算量很大,当年这道题的平均分不高。


解法3和解法2类似,这里不贴出、

问题二:题目源自哪里?还有什么结论?

笔者的文章并未到此结束。笔者通过查询文献,继续写到:

命题1、2的圆被称为椭圆C的准圆(或伴圆),历史上是法国数学家Gaspard Monge首先发现的,所以又叫“蒙日圆”, (蒙日还提出了另外一个问题,即Monge's Problem:画一个圆,使其与三已知圆正交.这是历史上的100个著名初等数学问题之一).而“准圆”是我国著名数学家单墫教授首先命名的.

然后笔者不用解析几何的方法,继续研究得到新的证明方法。

当然这个问题十分值得研究,还有其他方法进行证明或还有更加新颖的结论。例如广雅的杨志明老师还收集了其他类似的高考题。
现在笔者经过学习geogebra这个神奇的软件之后,就想,这个蒙日圆能否不用求解的步骤,直接根据条件把这个点的轨迹作出来?
真的可以!而且效果非常漂亮!

作法步骤:

作法要点:用了两个指令(元素指令和切线指令)的嵌套。
即“h=元素({切线(g, c)}, 1)”.
笔者研究的时候,查询过指令手册,对于元素指令能画直线感觉非常奇怪!
唐老师的指令手册讲到元素指令的就半页:
2.12.23 Element.元素
Element(<List>,<Position of Element n>);
元素(<列表>,<元素位置>)。调用列表中的第 n 个元素。 

还有下面这个和矩阵等有关的:

后来思考之后,终于搞懂了,其实分步来作就很好理解啦!
第一步,先用指令“切线(g, c)”作出和直线g平行且和椭圆c相切的两条切线;
第二步,手工选择一条切线和刚开始作的切线f,求交点E。
上面两步就可以不用元素的指令啦!
嵌套指令“元素({切线(g, c)}, 1)”的好处:可以一步得到结果。
最后用轨迹指令"轨迹(E, D)",就可以得到点E的轨迹,如下:

同样的双曲线的准圆如下:

抛物线的准圆就是准线:


多么漂亮和神奇啊!

总结:假设蒙日当时研究这些问题的时候,有这么先进的软件进行画法几何的研究,或许成果会得多!反过来,如果我们的老师和学生现在把这个软件学懂学精,或许也能更好的理解几何学(包括欧氏几何、立体几何和解析几何)的精髓。
怎么学?通过思考,看书或看文件,问人,动手实践,每天学一点,争取每天有一点收获,日积月累……

相关文献:
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